基于最大響應峰值加速度的沖擊試驗能力驗證設計

張宗取，廖國清，陳宇軍，鄭子迎，胡凱，蘇淑華（威凱檢測技術有限公司，廣州 510663）

引言

能力驗證是利用實驗室間的比對，按照預先制定的準則評價參加者能力的一項活動[1]。參加能力驗證活動可幫助實驗室發現日常測試存在的問題，是實驗室提高技術能力和水平并維持其有效性的重要途徑，是實驗室內部質量控制程序的重要補充，有著不可替代的作用。

目前，環境試驗領域國內能力驗證開展較多的是高低溫、鹽霧試驗等項目，沖擊試驗能力驗證在國內外未有開展，主要是存在能力驗證方法的選擇、能力驗證樣品的設計等方面的難點有待攻克。

沖擊試驗的目的主要是通過模擬產品經受規定的試驗嚴酷等級，評估產品結構和功能承受沖擊的能力[2]。沖擊試驗的模式是在一個極短時間（ms級）內將外力脈沖通過規定的安裝路徑施加到產品上，產品經受沖擊激勵后，系統狀態會發生突變并產生沖擊響應，沖擊響應的最大加速度發生在極短的某一時刻點，產品系統內部的構件在這一時刻將承受最大的機械應力，故沖擊響應的最大加速度是誘發產品結構和功能失效的根本原因。本文創新性的提供了基于最大沖擊響應峰值加速度的沖擊試驗能力驗證方法及能力驗證樣品設計思路，通過定量結果能客觀地評價實驗室的水平，進而對試驗過程進行改進，提升行業水平。

1 沖擊試驗能力驗證設計原理

可以認為加速度沖擊響應譜是對一個給定的無阻尼質量-彈簧系統進行規定沖擊激勵下作為該系統共振頻率的函數對應下的最大響應加速度，不同的共振頻率會導致不同的沖擊響應特性。如圖1所示，質量m決定了共振頻率（f1、f2、f3等），系統經受一個規定的脈沖波形的沖擊激勵，會產生不同的沖擊響應加速度。

圖1 包含振蕩系統的框架或盒子，其中f1、f2、f3為共振頻率

GB/T 2423.5-2019《環境試驗第2部分：試驗方法試驗Ea和導則：沖擊》包括了半正弦波、后峰鋸齒波和梯形波三種波形，實際試驗中，電工電子產品最常用的是半正弦波，半正弦脈沖適用于“線性系統”產品的沖擊模擬，如電工電子元器件型彈性結構的撞擊。因此，本次能力驗證設計采取的沖擊脈沖波形為半正弦波。沖擊脈沖的峰值加速度（A）表示施加給產品沖擊應力的大小，由于產品的結構大都是線性系統，產品受沖擊激勵后所產生的響應加速度與激勵加速度是成比例的。一般峰值加速度越大，對產品的破壞強度越大。沖擊脈沖的持續時間（D）對產品的影響較復雜，它對沖擊試驗結果的影響程度與被試系統的固有頻率（fn）有關。如圖2所示，對半正弦波，當fn·D<0.3時，沖擊響應加速度隨著fn·D的增大而增大，但最大沖擊響應加速度不大于沖擊激勵的峰值加速度；當0.3≤fn·D<3時，沖擊響應加速度將超過沖擊激勵的峰值加速度。而且，在fn·D＝0.7附近，會出現沖擊響應的最大加速度Amax，理論上對半正弦沖擊脈沖在無阻尼時為沖擊激勵峰值加速度的1.78倍；當fn·D>3時，沖擊響應加速度與沖擊激勵的峰值加速度相同?？梢姡瑢ν环N脈沖，如脈沖持續時間不同，對相同的產品所造成的沖擊影響也不相同[3]。

圖2 對稱半正弦脈沖的沖擊響應譜圖

綜上所述，本次能力驗證設計確定輸入的條件為半正弦波，規定的峰值加速度（A）及持續時間（D），以“最大沖擊響應峰值加速度”作為檢測參數，以此評價參加實驗室的能力。

2 沖擊試驗能力驗證樣品設計及制備

樣品設計與制備是能力驗證的關鍵環節之一，實施機構要確保每個參加者都收到具有可比性的能力驗證樣品，并且這些能力驗證樣品在整個能力驗證過程中應保持穩定。

2.1 沖擊試驗能力驗證樣品設計所考慮的關鍵點

2）樣品在指定點應具有唯一的共振頻率fn，當按照規定的試驗條件在垂直方向上進行沖擊時，通過傳感器可監測到最大的峰值沖擊響應加速度。

3）樣品結構應簡單穩定，在實驗室間循環往復寄送時運輸環境對其結構影響小。為確保量值準確傳遞到樣品，應盡可能減少樣品與試驗臺之間轉接，考慮與試驗臺通過足夠數量螺栓直接連接緊固。

4）樣品表面有能緊固安裝傳感器的位置，對粘貼的監測傳感器位置和質量偏差敏感度較低。

基于上述考慮，設計結構圖如圖3所示。

圖3 沖擊試驗能力驗證樣品設計圖

2.2 沖擊試驗能力驗證樣品制備的技術要求

1）材料選擇

樣品支座采用重量輕、剛度好、不生銹、易于加工的鋁合金材料。支撐桿和砝碼采用不銹鋼材料，主要考慮樣品反復使用時不易變形和不生銹的要求，且比重大可以減小樣品體積；硬度高可以防止運輸和使用過程中的碰撞變形。

2）精準加工

支撐桿和砝碼是影響樣品共振頻率的關鍵部件，樣品加工工藝要求如下：

支撐桿加工尺寸精度：+0.02 mm；

砝碼的重量誤差控制+2 g之內。

以上兩者的加工誤差均設計為正偏差，目的是根據樣品實測結果便于修正。

3）安裝控制

樣品部件的所有連接均采用螺釘連接，沒有采用焊接工藝，這樣可有效的防止部件變形和有害應力。

如圖4所示，沖擊試驗樣品通過對樣品的整體設計、材料選擇、精準加工、安裝控制，竭力保證樣品反復使用并具有一致性和穩定性的技術要求。且樣品結構設計巧妙，可方便的通過更換配重改變樣品的共振頻率fn，從而改變輸出的沖擊響應峰值加速度的大小。實施能力驗證活動時可提供不同特性值的兩種樣品，防止實驗室間串通或以歷史記錄作為測試結果的弄虛作假行為。

圖4 沖擊試驗能力驗證樣品圖

3 沖擊試驗條件選擇及結果驗證

本次能力驗證設計依據GB/T 2423.5-2019 《環境試驗第2部分：試驗方法試驗Ea和導則：沖擊》選擇了合適的試驗嚴酷等級，確定峰值加速度A為15 g，脈沖持續時間D為11 ms，如果選用太大的試驗量級則會給樣品累積疲勞損傷，不利于試驗樣品多次使用。

從上述敘述可見：當系統的阻尼為“0”時，沖擊激勵將使樣品產生最大沖擊響應應力。在對產品進行抗沖擊設計時，可以將此作為抗沖擊設計要求的上限。但是實際的系統都有阻尼，阻尼能夠降低脈沖持續時間內的響應，衰減系統內部部件的響應峰值[4]。如圖5所示，從測量結果可以看出，實際響應峰值加速度（21.6 g）為激勵脈沖峰值加速度（15 g）的1.44倍。沖擊試驗樣品監測只出現1個峰值，避免了多個峰值的相互影響，有利于實驗室間的測量結果比較，因此，本次沖擊試驗能力驗證樣品符合設計的要求。

圖5 沖擊試驗結果圖譜

4 結術語

能力驗證對于提高實驗室技術能力具有重要作用，目前已得到各行業的廣泛重視。因此，需要開發更多新領域的能力驗證計劃以滿足實驗室、管理機構的需求。本文結合沖擊試驗的特點，重點對沖擊試驗的設計原理及樣品設計要點進行了分析和探討，提出了創新的設計方案，并對設計方案進行了驗證，表明基于最大沖擊響應峰值加速度的沖擊試驗能力驗證設計是合理、有效的。希望能為同行開展沖擊試驗能力驗證提供參考，促進沖擊試驗能力驗證的開展，持續提升實驗室的檢測水平。